Biology of wastewater treatment

Acknowledgements v Preface to the Second Edition xvii 1 How Nature Deals with Waste 1 1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1. The wastewater problem . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2. Legislation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Nature ofWastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.1. Sources and variation in sewage flow . . . . . . . . . 15 1.2.2. Composition of sewage . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.2.3. Other wastewaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1.3. Micro-organisms and Pollution Control . . . . . . . . . . . . . 55 1.3.1. Nutritional classification . . . . . . . . . . . . . . . . 56 1.4. Microbial OxygenDemand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 1.4.1. Self purification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 1.4.2. Biochemical oxygen demand . . . . . . . . . . . . . . 93 1.4.2.1. The test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 1.4.2.2. Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 1.4.2.3. Factors affecting the test . . . . . . . . . . 112 1.4.2.4. Sources of error . . . . . . . . . . . . . . . 124 2 How Man Deals with Waste 133 2.1. Basic Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 2.1.1. Preliminary treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 2.1.2. Primary treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 xi xii Contents 2.1.3. Secondary treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 2.1.4. Tertiary treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 2.1.5. Examples of treatment plants . . . . . . . . . . . . . 148 2.2. Sedimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 2.2.1. The settlement process . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 2.2.2. Design of sedimentation tanks . . . . . . . . . . . . . 157 2.2.3. Performance evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 2.3. Secondary (Biological) Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . 173 2.4. Tertiary and Advanced Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . 178 2.4.1. Tertiary treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 2.4.2. Advanced wastewater treatment . . . . . . . . . . . . 190 3 The Role of Organisms 191 3.1. Stoichiometry and Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 3.1.1. Stoichiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 3.1.2. Bacterial kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 3.1.3. The BOD test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 3.2. EnergyMetabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 3.3. Aerobic Heterotrophic Micro-organisms . . . . . . . . . . . . . 230 3.3.1. The organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 3.3.2. Nutrition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 3.3.3. Environmental factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 3.3.4. Inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 3.4. Anaerobic Heterotrophic Micro-organisms . . . . . . . . . . . 259 3.4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 3.4.2. Presence in the treatment plant . . . . . . . . . . . . 260 3.4.3. Anaerobic digestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 3.4.4. Sulphide production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 3.4.5. Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 3.4.6. Redox potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 3.5. AutotrophicMicro-organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 3.5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 3.5.2. Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 3.6. Assessing Treatability, Toxicity, and Biodegradability . . . . . 290 3.6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 3.6.2. Biochemical tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 3.6.3. Bacterial tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 3.6.4. Other approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 3.6.5. Continuous simulation tests . . . . . . . . . . . . . . 320 3.6.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 Contents xiii 4 Fixed-Film Reactors 325 4.1. Percolating Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 4.1.1. Design and operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 4.1.2. Process modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 4.1.3. The organisms and their ecology . . . . . . . . . . . . 364 4.1.4. Factors affecting performance . . . . . . . . . . . . . 417 4.1.5. Nitrifying filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 4.2. Rotating Biological Contactors . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 4.3. Submerged Fixed Film Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 4.3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 4.3.2. Fluidised bed reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 4.3.3. Biological aerated flooded filters . . . . . . . . . . . . 455 4.3.4. Submerged aerated filters . . . . . . . . . . . . . . . . 460 4.3.5. Moving bed biofilmreactor . . . . . . . . . . . . . . . 462 5 Activated Sludge 465 5.1. F locculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 5.2. Operating Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 5.2.1. Process control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 5.2.1.1. Mixed liquor suspended solids . . . . . . . 477 5.2.1.2. Sludge residence time or sludge age . . . . 478 5.2.1.3. Plant loading . . . . . . . . . . . . . . . . . 479 5.2.1.4. Sludge settleability . . . . . . . . . . . . . . 483 5.2.1.5. Sludge activity . . . . . . . . . . . . . . . . 484 5.2.1.6. Recirculation of sludge . . . . . . . . . . . 487 5.2.2. Factors affecting the process . . . . . . . . . . . . . . 488 5.2.3. Aeration methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 5.2.3.1. Surface aeration . . . . . . . . . . . . . . . 497 5.2.3.2. Air diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 5.2.3.3. Testing aerators . . . . . . . . . . . . . . . 511 5.3. Modes of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516 5.3.1. Conventional activated sludge processes . . . . . . . . 517 5.3.1.1. Plug-flow systems . . . . . . . . . . . . . . 519 5.3.1.2. Completely mixed systems . . . . . . . . . 528 5.3.1.3. Sequencing batch reactor technology . . . . 530 5.3.2. Extended aeration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 5.3.2.1. Oxidation ditches . . . . . . . . . . . . . . 532 5.3.2.2. Packaged plants . . . . . . . . . . . . . . . 539 5.3.3. High-rate activated sludge processes . . . . . . . . . . 541 5.3.3.1. A–B process . . . . . . . . . . . . . . . . . 543 xiv Contents 5.3.4. Advanced activated sludge systems . . . . . . . . . . 544 5.3.4.1. ICI Deep Shaft
process . . . . . . . . . . 545 5.3.4.2. Pure oxygen systems . . . . . . . . . . . . 548 5.4. Sludge Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 5.4.1. Deflocculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558 5.4.2. Pin-point floc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560 5.4.3. F oaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 5.4.4. F i lamentous bulking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569 5.4.5. Identifying problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 5.4.6. Non-filamentous bulking . . . . . . . . . . . . . . . . 592 5.4.7. Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592 5.5. Ecology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593 5.5.1. Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596 5.5.2. F ungi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599 5.5.3. Protozoa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599 5.5.4. Other groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615 5.6. Nutrient Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618 5.6.1. Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 5.6.2. Phosphorus removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628 6 Natural Treatment Systems 641 6.1. Land Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643 6.1.1. Purification process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 6.1.2. On-site subsurface infiltration . . . . . . . . . . . . . 646 6.1.3. Slow rate land application . . . . . . . . . . . . . . . 651 6.1.4. Rapid infiltration land treatment systems . . . . . . . 654 6.1.5. Overland flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656 6.2. Macrophyte-Based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658 6.2.1. Algae and submerged macrophytes . . . . . . . . . . 660 6.2.2. Floating macrophytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 6.2.3. Emergentmacrophytes . . . . . . . . . . . . . . . . . 673 6.3. Stabilisation Ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 6.3.1. Anaerobic ponds and lagoons . . . . . . . . . . . . . 700 6.3.2. Oxidation ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704 6.3.3. Aeration lagoons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731 7 Anaerobic Unit Processes 735 7.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735 7.2. F low-Through Systems (Digestion) . . . . . . . . . . . . . . . 743 7.2.1. Combined systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744 Contents xv 7.2.2. Digestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754 7.3. Contact Anaerobic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777 7.3.1. Anaerobic activated sludge process . . . . . . . . . . 779 7.3.2. Sludge blanket process . . . . . . . . . . . . . . . . . 781 7.3.3. Static media filter process . . . . . . . . . . . . . . . 783 7.3.4. Fluidised and expanded media . . . . . . . . . . . . . 790 8 Sludge Treatment and Disposal 793 8.1. Sludge Characteristics and Treatment . . . . . . . . . . . . . . 793 8.1.1. Treatment options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798 8.1.2. Disposal options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819 8.2. Land Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 829 8.2.1. Sludge disposal to land sites . . . . . . . . . . . . . . 829 8.2.2. Sludge utilisation to farmland . . . . . . . . . . . . . 834 8.3. Sea Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864 8.3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864 8.3.2. Legislative control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866 8.3.3. Dumping sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871 8.3.4. Environmental impact . . . . . . . . . . . . . . . . . 872 9 Public Health 885 9.1. Disease andWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885 9.2. Water-Borne Diseases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 888 9.2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 888 9.2.2. Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889 9.2.3. Viruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 906 9.2.4. Protozoa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914 9.2.5. Parasiticworms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 929 9.3. Indicator Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931 9.3.1. Escherichia coli and coliforms . . . . . . . . . . . . . 941 9.3.2. F aecal streptococci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953 9.3.3. Faecal coliform/faecal streptococci (FC/FS) ratio . . 959 9.3.4. Clostridium perfringens . . . . . . . . . . . . . . . . . 962 9.3.5. Bacteriophage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964 9.3.6. Bifidobacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967 9.3.7. Rhodococcus spp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 968 9.3.8. Heterotrophic plate count bacteria . . . . . . . . . . . 969 9.3.9. Other indicator organisms . . . . . . . . . . . . . . . 971 9.3.10. Chemical indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974 9.4. Hazards Associated with Wastewater and Sludge . . . . . . . 976 xvi Contents 9.4.1. Water pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 976 9.4.2. Land Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996 9.4.3. Atmospheric pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . 1008 9.4.4. Antibiotic resistance in enteric bacteria . . . . . . . . 1011 9.5. Removal of Pathogenic Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . 1013 9.5.1. Environmental factors and survival . . . . . . . . . . 1013 9.5.2. Treatment processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1021 9.5.3. Sterilization and disinfection methods . . . . . . . . . 1040 10 Biotechnology and Wastewater Treatment 1057 10.1. The Role of Biotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1057 10.2. Resource Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1060 10.2.1. Fertiliser value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1060 10.2.2. Reuse of effluents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1061 10.2.3. Metal recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1067 10.2.4. Phosphorus recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078 10.3. Biological Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083 10.3.1. Bio-energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083 10.3.2. Single-cell protein and biomass . . . . . . . . . . . . . 1099 10.3.3. Composting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124 10.4. Environmental Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154 10.4.1. Breakdown of recalcitrants . . . . . . . . . . . . . . . 1155 10.4.2. Bioscrubbing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1160 10.4.3. Bioaugmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164 10.4.4. Immobilised cells and biosensors . . . . . . . . . . . . 1169 11 Sustainable Sanitation 1179 11.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1179 11.2. The Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1180 11.3. Sustainable Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1190 11.3.1. Source contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1190 11.3.2. Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196 11.3.3. Final disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1203 11.4. Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1212 References 1219 Index 1395